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直流调速系统原理

  直流调速系统原理_物理_自然科学_专业资料。直流调速技术 直流调速系统 直流调速系统:引言 转速负反馈晶闸管直流调速系统 小功率有静差直流调速系统实例分析 速度和电流双闭环直流调速系统 双极晶体管脉宽调制控制系统的直流调速系统

  直流调速技术 直流调速系统 直流调速系统:引言 转速负反馈晶闸管直流调速系统 小功率有静差直流调速系统实例分析 速度和电流双闭环直流调速系统 双极晶体管脉宽调制控制系统的直流调速系统 直流调速系统:引言 调速系统的性能指标 一、什么是调速 电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备,所以需 要根据工艺要求调节其转速。比如:在加工毛坯工件 时,为了防止工件表面对生产刀具的磨损,因此加工 时要求电机低速运行;而在对工件进行精加工时,为 了要缩短工加时间,提高产品的成本效益,因此加工 时要求电机高速运行。所以,我们就将调节电动机转 速,以适应生产要求的过程就称之为调速;而用于完 成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。 目前调速系统分交流和直流调速系统,由于直流调速 系统的调速范围广,静差率小、稳定性好以及具有良 好的动态性能。因此在相当长的时期内,高性能的调 速系统几乎都采用了直流调速系统。但近年来,随着 电子工业与技术的发展,高性的交流调速系统的应用 范围逐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。但作 为一个延用了近百年的调速系统,了解其基本的工作 原理,并加深对自动控制原理的理解还是有必要的。 二、调速控制系统的性能指标 在前几章中我们学过,各种自动化生产机械或系统 所提出的性能指标一般都可以分成稳态指标和动态 指标。对于调速系统来说也不例外,只是它作为一 个特定的系统,其稳态和动态指标有着具体而明确 定义。 稳态指标:主要是要求系统能在最高和最低转速 内进行平滑调节,并且在不同转速下工作时能稳 定运行,而在某一转速下稳定运行时,尽量少受 负载变化及电源电压波动的影响。因此它的指标 就是调速系统的调速范围和静差率。 动态性能指标:主要是平稳性和抗干扰能力。 调速范围 生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速 nmax 与最低转速nmin之比称D为 调nma速x 范围,用D表示。即: n min 静差率 调速系统在某一转速下稳定运行时,负载由理想空载 增 加到规定负载时,所对应的转速降落Δn与理想转速n0 之比,用s表示s。 即n:10% 0n0n10% 0 n0 n0 两者之间的关系是:D ns n(1s) 他励直流电机的调速方案 他励直流电动机的转速公式: n E UIR CE CE 式中:U为他励电动的电枢电压 I为电枢电流 E为电枢电动势 R为电枢回路的总电阻 n为电机的转速 Φ为励磁磁通 CE为由电机结构决定的电动势系数 E UIR n CE CE 由直流他励电机有调速方式有三种调速方式:电枢 回路串电阻的变电阻调速,改变电枢电压的变电压 调速以及减小气隙磁通量的弱磁调速。 由于串电阻调速和弱磁调速都会使直流他励电机的 机械特性变软,所以在实际应用中我们通常采用的 是变电压调速。 用晶闸管触发整流 整流电路实现电枢 电压可调,从而达 到改变电机转速的 目的。 这就是所谓的电 源—电动机调速 系统(V—M) 系统,它属于开 环系统。 例:某电源—电动机直流调速系统,已知电机的额定 转速为n=1000r/min,额定电流IN=305A,主回路电阻 R=0.18Ω,CeΦN=0.2,若要求电动机调速范围D=20, sn5%,则该调速系统是否能满足要求? 解:如果要满足D=20,Sn5%的要求,则其在额定条件 下的转速降为: n n es 10 0 0 .0 05 2 .6% 3 D (1s) 2(1 0 0 .0)5 而由已知条件并设系统电流连续,则其额定转速下 的转速降为: nINR30 0 5 .18 27 .5r 4 /min C e N 0.2 而静差率为: s n 2752.5 1 % n0 n 10 0 20 75 由此例不难发现,象这样的电源——电动机所组成的 开环调速系统,是没有能力完成其调速指标的。要把 额定负载下的转速降从开环系统中的274.5降低到满 足要求的2.63就必须采用负反馈,这也就构成了我们 所谓的闭环直流调速系统——转速负反馈直流调速。 1 转速负反馈晶闸管直流调速系统 给定 比较放大 晶闸管触 发整流 反馈电位器 他励直流电动机 测速发电机 1.1 系统的组成 由图可见,该系统的控制对象是直流电动机M,被 控量是电动机的转速n,晶闸管触发及整流电路为功 率放大和执行环节,由运算放大器构成的比例调节 器为电压放大和电压(综合)比较环节,电位器RP1为 给定元件,测速发电机TG与电位器RP2为转速检测 元件。该调速系统的组成框图如下: 直流电动机(Direct Current Motor) 由基尔霍夫定律,可得他励直流电动机电枢回路的电 压方程: ua iaRa La ddi e dt 代入他励直流电动机的机电参数: T e C T ia T e T L J d dt e C e n 可得: TmTedd2ntTmddntnC1 eua 两边取Laplace变换: T m T eN (s)s2 T m N (s)sN (s)C 1 eU a(s) 即他励直流电机的传递函数是: G(s)U N a((ss))TmTes1 2 CT ems1 晶闸管整流电路(Thyristor Rectifier) √优点:晶闸管整流装置不但经济、可靠而且其功 率放大倍数在104以上,门极可直接采用电子电 路控制,响应速度为毫秒级。 缺点:由于晶闸管的单向导电性,它不允许电流 反向,给系统的可逆运行造成困难。另一问题是 当晶闸管导通角很小时,系统的功率因素很低, 并产生较大的谐波电流,从而引起电网电压波动 殃及同电网中的用电设备,造成“电力公害”。 线性放大区 晶闸管整流电路的调节特性 为输出的平均电压 U c与触发 电路的控制电压 U d之间的关 系,即 Ud f(Uc。)图7-4为 晶闸管整流装置的调节特性。 由图可见,它既有死区,又 会饱和。 如果在一定范围内将非线性 特性线性化,可以把它们之 间的关系视为由死区和线性 放大区两个部分级成。其中 线性放大区有: 死区 Ud (s) Uc (s) Ks 死区:晶闸管触发装置和整流装置之间之是存在滞后作用 的,这主要是由于整流装置的失控时间造成的。由电力电 子学可知,晶闸管是一个半控型电子器件,在阳极正向电 压下,供给门极触发脉冲才能使其导通,晶闸管一旦导通, 门极便失去了作用。改变控制电压Uc,虽然可以使触发脉 冲的相位产生移动,但是也必须等正处于导通的元件完成 其导通周期并自然关断后,整流电压Ud才能与新的脉冲相 位相适应。因此这就造成整流电压Ud滞后于控制电压Uc的 情况。 ud Ud0 Ud1 Ud2 α1 τ0 Uc t1 t2 t3 综上所述,晶闸管触发可控整流装置的传递函数可 以看成是由两个环节串联组成的。即:可以把它的 触发电压Uc与整流输出电压Ud之间的放大系数K 视为常数,而把晶闸管电路和整流装置可以看成是 一个具有纯滞后环节放大环节。这样就有: Gk(s)Kse0s 式中,τ0是晶闸管触发装置和整流装置的失控时 间,单位为秒。 若再考虑到τ0的延迟时间一般很小(三相桥式τ0= 1.7ms,单相全波τ0=5ms)。这样晶闸管整流装置 的传递函数为: G k(s)U U d c((s s))K se 0s0s K 1K s 转速负反馈晶闸管直流调速系统的组成 电源及晶闸管电路 触发 给 电路 定 电 电 位 动 器 机 比较环节+比例调节器 测速电机 电流 载止 比较 电路 比较放大电路(Amplifier) 由叠加定理:当Us(s)单独作用 时,有: U U sk((ss))R R1 2 Uk R R1 2Us(s) 当Ufn(s)单独作用时,有: U U kf(n (ss))R R1 2 Uk R R1 2[Ufn (s)] 所以当Us和Ufn共同作用时,有: U kU k U k R R 1 2[U s(s)U fn (s)] 转速检测环节(Speed Measurement Element) 转速的检测方式很多,棋牌游戏平台十大排名,有测速发电机、电磁感应传感 器、光电传感器等。读出量又分模拟量和数字量。此 系统中,转速反馈量需要的是模拟量,一般采用测速 测速反馈信号 U 与转速成正比,有: fn Ufn n 称为转速反馈系数。 转速负反馈晶闸管直流调速系统的框图 系统的自动调节过程: 电网 波动 负载波动 电流截止负反馈 问题的提出(一): 根据直流电动机电枢回路的平衡方程式可知,电枢电流 I当d为电:机起动时Id ,由U 于d存R aC 在e机n械U 惯d性R a,E所以不可能立即转 动起来,即n=0,则其反电动势E=0。这时起动电流为: 它只与电枢电压UdI和d 电U 枢d电R 阻aRa有关。由于电枢电阻很 小,所以起动电流是很大的。为了避免起动时的电流冲 击,在电压不可调的场合,可采用电枢串电阻起动,在 电压可调的场合则采用降压起动——在调速系统中如何 处理。 另外,有些生产机械的电动机可能会遇到堵转情况。例如由 于故障造成机械轴被卡住,或挖土机工作时遇到坚硬的石头 等。在这此情况下,由于闭环系统的机械特性很硬,若没有 限流环节的保护,电枢电流将远远超过允许值。 电流截止负反馈的作用 可以通过一个电压比较环节,使电流负反馈环节只 有在电流超过某个允许值(称为阈值)时才起作用,这 就是电流截止负反馈。 电流截止负反馈环节的组成工作原理 n 额定电流时 堵转电流时 理想特性 堵转电流 时的实际 特性 挖土机特性 Id 当Id较小,即IdRc≤Uo时,则二极管VD截止,电流截止 负反馈不起作用。 当Id较大,即IdRc≥U0时,则二极管VD导通,电流截止 负反馈起作用,ΔU减小,Ud下降,Id下降到允许最电流。 带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统 带电流截止负反馈的单闭环直流 调速系统的框图 由于电流截止负反馈环节在 正常工作状况下不起作用, 所以系统框图上可以省去。 Ufi Us(S) - + - 电流载止 Kp Ks ss 1 T(s),负载变化 + + 1 Ce N(S) TmTes2 Tms1 Ufn 在如图所示的调速系统中,已知负载变化为: T(s) 20 求:负载变化所产生的转速降。 s 若此时系统的给定量为: 态输出nN。 该系统是否能满足5%的静差率。 ,此时U系n (统s) 的 1稳s0 Un(S) + 5 - G1 T(s),负载变化 + 40 + 0.005s 1 8.33 N(S) (0.1s1)(0.02s1) G2 G3 0.01 解:由于负载变化量是扰动量,所以其扰动量的误 差传递函数为: d(s)1G1(s)GG 2(3S()sG )3(S)H(s) 8.33(0.00s51) (0.1s1)(0.02s1)(0.00s51)16.66 故系统拢动量的误差函数: E (s) d(s)T(s) 当已知系统拢动量为:T(s) 20 s 由终值定理可求得该系统在负载变化量T(s)作用 下的稳态误差为: nls i0m sd(s)T(s) lim s 8.33(0.00s51) 20 s0 (0.1s1)0(.02s1)0(.00s51)16.66 s 10 r/min 由于负载变化呈下降趋势,所以系统在负载作用下 的工作转速下降了10r/min 若此时系统的给定量: 递函数的概念,可得: U n (s) 10 s ,则由系统闭环传 N(s)(s)U(s) G1(s)G2(s)G3(s) U(s) 1G1(s)G2(s)G3(3)H(s) 1666 U(s) (0.1s1)0(.02s1)0(.00s51)16.66 故在给定作用下,系统的稳态输出转速可由终值定理求 得: nlimsN(s)U(s) s0 lims 1666 10 s0 (0.1s1)(0.02s1)(0.00s51)16.66 s 1000r/min 由静差率定义可得: s n 1% 00 10 1% 0 1 0 % 5 % n 1000 由此可见该闭环系统是可以满足5%的静差率的稳 态指标的。 KZD-Ⅱ型直流调速系统实例 KZD-Ⅱ型直流调速系统的组成框图及调节过 程 KZD-Ⅱ型直流调速系统分析 此为小容量晶闸管直流调 速装置,适用于4kW以下 直流电动机无级调速。系 统的主回路采用单相桥式 半控整流线路。具有电流 截止负反馈、电压负反馈 和电流正反馈(电动势负 反馈)。具体数据如下: 交流电源电压 整流输出电压 最大输出电流 单相220V 直流180V 直流30A 励磁电压 励磁电流 调速范围 静差率 单相180V 直流1A 直流180V s10% 主电路及励磁回路 平波电抗器Ld R9为能耗制动电阻 整流滤波 Ud(S) 电动机 N(S) 组 绕 磁 励 M K C L RP7 ZD3 Motor 4 1 4 M C F u 0 0 1 0 91 KZD-II型直流调速系统原理图 K 5 0 2R 4 1 V 2.4KR V 8 4 7 表 压 电 3 4 表 0 C F u 0 0 1 A 5 流 S 电 R 2W/51*2 6 1 M 3 1 K 2 C F u 0 5 4 V K 3 0 RP6 R2 K 8 2CW21N 5 D 1.5K1 V 52 11 6 6.8K2.4KR 3 2 C 5 4 VRRP4RP54 1 71 5uF/25VC RC .047uF 94 44 016 444 0 1 0 0 1R 2 Diode 6 2 5R 3 789 333 M 5 K D V 3 D V 5 2634 V4333 3 2 K 1RP2 5 5.6KRP33 Trans d 4 L2 T 890 1K/10W223 1 3 2 5.6KRP12 Diode1Diode2 1 ? .047uFC K 1R 1 2 5 2 1 C411 F u 0 5 8 ZP2 F u 22 ZP1 1 0 2CW21N C2 2CW21N 2W2K2W2K K 97 0 1R11 Text3 5 7 2W2K2 VT1VT2 8 1 绿 3 MM KKS 2 1 A K红 M K S ? T Trans4Ideal A 1 A 0 5 C A ~220V 给定、触发及反馈电路 U2 M K 3 2 K 1RP2 5.6KRP3 4 2 2 5.6KRP12 1 2 2 C F u 0 5 0 2CW21N 2 2W2K 97 11 2W2K 8 1 ? TTransCupl Ud=0.9U2COSα 1、给定电压 2 C F u 0 5 4 V 3 R 8 2CW21N D V 6 2.4KR 3 2 5 4 V4 1 C .047uF 94 44 016 444 0 1 0 0 1R 2 Diode 6 2 5R 3 789 333 5 D V 3 D V 5 2634 V4333 5 3 Trans T 890 223 1 3 Diode1Diode2 8 V2.V4 脉冲移相电路 (晶体管等效 电阻原理) 2、触发电路 . 0 4 2 1 7 C 0 u 0 5 F W u 0 F 2 u 1 F N 1 0 0 3 u 7 F 4 8 4 4 4 C K 5 0 2R 4 1 2.4KR V 7 3 4 0 C 5 2 C 4 V 3 R 8 D V 6 2.4KR 3 2 5 4 V4 1 C 016 444 0 1 0 0 1R 2 Diode 6 2 5R 3 3 1 8 3 4 1 9 6 3 9 3、放大电路 Motor 4 1 M 0 91 V 表 压 电 表 F u 0 0 1 A 流 S 电 R 2W/51*2 M K F u 0 5 K 3 0 RP6 R2 K 2CW21N 5 1.5K1 52 11 C RRP4RP5 .047uF 4、反馈电路 1K/10W 1 ? .047uFC K 1R 5 1 411 ZP2 F u 22 ZP1 1 C K 0 1R 3 VT1VT2 MM KK A K M K S 5、主电路(主回路) 1、单相桥式半控整流电路(驱动供电部 分) Motor M 0 91 V 表 压 电 表 A 流 S 电 R 2W/51*2 M K 2、单相桥式半控整流电路(制动部分) A 1 组 绕 磁 励 M K C L RP7 ZD3 Motor M 0 91 V 表 压 电 表 A 流 S 电 R 2W/51*2 M K 6、励磁回路 组 绕 磁 励 M K C L RP7 ZD3 1 ? .047uFC K 1R 5 1 411 ZP2 F u 22 ZP1 1 C K 0 1R 3 VT1VT2 MM KK A K M K S 6、励磁回路 97 11 Text 5 7 2W2K2 8 1 绿 3 S 2 1 红 ? T Trans4Ideal 7、供电回路

时间:2020-04-07 01:53